روانگرایی خاک پدیدهای است که در آن خاک اشباع در اثر تنش شدیدی که به آن وارد میشود، مقاومت و سختی خود را به طور کامل از دست میدهد و مانند یک مایع رفتار میکند. این تنش وارده میتواند در اثر تکانهای ناشی از زمینلرزه یا دگرگونیهای ناگهانی در شرایط تنش خاک باشد.
این پدیده بیشتر در خاکهای اشباع، شُل (با چگالی کم یا غیر متراکم) و ماسهای دیده شده است. ماسههای شُل در اثر بار وارده تمایل به متراکم شدن دارند اما ماسههای متراکم در مقابل تمایل به افزایش حجم دارند. اگر خاک از آب اشباع باشد، مانند خاکی که پایینتر از سطح آب زیرزمینی یا سطح دریا است، آنگاه آب فضای میان دانههای جامد را پر میکند (فضای حفرهای) حال اگر فشاری به خاک وارد شود، این فشار به آب موجود در این فضاهای خالی وارد میشود در مقابل آب تلاش میکند تا از فضای حفرهای خاک تحت فشار خارج شود و به جایی با فشار کمتر سرازیر شود (معمولاً آب به سمت سطح زمین یا به سمت بالا حرکت میکند). با این حال اگر فشار سریع وارد شود و به اندازهٔ کافی بزرگ باشد یا به تعداد زیاد تکرار شود (مانند آنچه که در زمینلرزه اتفاق میافتد یا فشاری که در اثر طوفان وارد میشود) به گونهای که آب فرصت آن را پیدا نکند تا دور بعدی (چرخهٔ بعدی) که دوباره بار وارد میشود از میان دانههای خاک به بیرون جاری شود، آنگاه فشاری در آب بوجود میآید که از تنشی که باعث کنار هم و در تماس نگه داشتن دانههای جامد خاک میشود بسیار فراتر میرود. تماس میان دانههای خاک تنها راهی است که به وسیلهٔ آن وزن ساختمان و لایههای زیر آن به لایههای خاک در عمق پایینتر یا سنگ بستر منتقل میشود. حال وقتی خاک این چنین ساختارش را از دست میدهد و تماس میان دانههای جامد از بین میرود، دیگر هیچ مقاومتی از خود نشان نمیدهد (توانایی خود در انتقال تنش برشی را ازدست میدهد) و مانند یک سیال جاری میشود.
عوامل مؤثر بر روانگرايی خاک
عوامل مربوط به خاك
- تنشهای برشی سيكلی
- ويژگیهای ميرايی
- ويژگی دانه بندی و دانهها
- دانسيته نسبی اوليه
- بافت خاك ( روش و نوع شكل گرفتن دانههای خاك)
عوامل محيطی
- تاريخچه زلزله خيزی منطقه
- تاريخچه زمين شناسی (سن، سمانتاسيون)
- ضريب فشار جانبی خاك (KO)
- سربار مؤثر اوليه
عوامل مربوط به زلزله
- بزرگی زلزله
- مدت دوام زلزله
بررسی خاکهای مستعد روانگرایی
پديده روانگرايی عامل خرابی بسياری از ساختمانها، سازهها، ابنيه مهندسی نظير سدها و اسكلهها در زمان وقوع زمين لرزه است. از ايـن رو بررسی خاكهای مستعد روانگرايی از اهميت ويژهای برخوردار است. بطور تقريبی میتوان با استفاده از تراكم نسبی خاك يا عدد و بر اساس منحنی دانه بنـدی، خاكهـای مسـتعد روانگرايـی را شناسـايی كـرد. جدول زیر رابطه بین تراکم نسبی خاکهای مستعد به روانگرایی با شتاب حداکثر زمین در زلزله را بررسی میکند.
بررسی استعداد خاکهای مستعد روانگرایی
| احتمال کم وقوع روانگرایی | روانگرایی به نوع خاک و بزرگی زلزله بستگی دارد | احتمال زیاد وقوع روانگرایی | حداکثر شتاب زمین |
|---|---|---|---|
| Dr>54% | Dr <54% | Dr<33% | ۰٫۱۰gr |
| Dr>73% | Dr <73% | Dr<48% | ۰٫۱۵gr |
| Dr>85% | Dr <85% | Dr<60% | ۰٫۲۰gr |
| Dr>92% | Dr <92% | Dr<70% | ۰٫۲۵gr |
با توجه به جدول خاکهای شنی و رسی مستعد روانگرایی نبوده و همچنین خاک هایی با تراکم زیاد نیز دارای احتمال روانگرایی کمتر از خاکهای ماسهای است، هستند.
معيار صحيح برای ارزيابی پتانسيل روانگرايیبه عوامل زیر بستگی دارد.
- نوع خاك
- SPT– N (آزمايش نفوذ استاندارد)
- حداكثر شتاب زمين
پدیدههای مشابه روانگرایی خاک
با وقوع روانگرایی، مقاومت خاک کاهش یافته و توانایی خاک زیر پی برای حفظ پایداری ساختمانها و پلها از بین میرود. همچنین خاک روان شده پشت دیوارهای حائل می تواند سبب نشست و تخریب دیوار حائل شود. چنانچه افزایش فشار آب منفذی در پشت سدها نیز میتواند سبب زمین لغزه و شکستن سدها شود. روانگرایی خاک در بسیاری از زلزلههای سالیان گذشته مشاهده شده است.
به دلیل اینکه روانگرایی فقط در خاکهای اشباع صورت میگیرد این پدیده معمولاً در مناطق نزدیک آب همانند رودخانهها،دریاچهها ،خلیجها و اقیانوسها اثرات تخریبی بیشتری دارد.
اصطلاح روانگرایی خاک معمولاً برای معرفی تعدادی از پدیدههای مشابه نیز بکار میرود. زیرا این پدیدهها اثراتی مشابه دارند و همین مسئله تشخیص آنها را از هم مشکل کرده است. این پدیدههای مرتبط عموماً به دو دسته زیر تقسیم بندی میشوند.
جریان روانگرایی (flow liquefaction)
پدیدهای است که در آن تعادل استاتیکی خاکهای رسوبی با مقاومت پسماند در اثر بارهای استاتیکی یا دینامیکی بهم میخورد. مقاومت پسماند مقاومت خاک روان شده است. برای مثال بار استاتیکی میتواند در اثر ساختمان جدیدی که روی شیب ساخته شده سبب وارد آمدن نیروی اضافی به خاک زیر پی شود. زلزلهها، انفجارات و شمع کوبی مثالهای از بارهای دینامیکی هستند که میتوانند موجب جریان روانگرایی شوند. همچنین یکبار که پدیده روانگرایی در خاک روی داد، خاک مستعد وقوع جریان روانگرایی است به طوری که خاک مقاومت کافی را برای تحمل استاتیکی همانند پیش از ناآرامی ندارد.
روانی مجدد (cyclic mobility)
این پدیده در اثر بارگذاری تکراری در خاکهای رسوبی با تنشهای برشی استاتیکی کمتر از مقاومت خاک روی میدهد. تغییر شکلهای ناشی از روانی دورهای به طور افزایشی بدلیل تنشهای استاتیکی و دینامیکی در هنگام زلزله گسترش مییابد. یکی از نتایج روانی دورهای پخش جانبی (Lateral spreading) خاک روی نواحی کم شیب و صاف کنار دریاها و رودخانه است. در زمینهای صاف به دلیل فشار آب منفذی بالا ایجاد شده در اثر پدیده روانگرایی سبب جریان سریع آب در سطح زمین میشود. این جریان هم در جریان زلزله و هم بعد از آن اتفاق میافتد.اگر جریان آب منفذی به اندازه کافی و به سرعت بالا بیاید سبب حرکت ذرات ماسه به سمت ترکها و روی دادن پدیده جوشش ماسه میشود. این پدیده بیشتر در مناطقی که تحت تاثیر پدیده روانگرای قرارگرفتهاند روی میدهد.
روشهـای ارزیابی خطر روانگرایی
خاك روانگرا شده به صورت يك سيال غليظ رفتار مینمايد و ممكن است جابجايیهای بزرگ در زمين ايجاد كند. وضعيت روانگرايی تا زمانی كه اضافه فشار آب منفذی دوباره زهكشی شود و تماس ميان ذرات خاك ايجاد شود ادامه خواهد يافت. در اثر اين فرآيند برخی لايهها در زمين متراكم خواهند شد و نشستهای غالباً نامتقارن بر روی زمين مشاهده میشود. لايههای ديگر در شرايط خيلی سست باقی مانده و در معرض روانگرا شدن مجدد در طی زلزلههای آتی قرار خواهند گرفت. خرابیهای وسيع ناشی از تغيير شكلهای حاصل از روانگرايی در طی زلزلههای گذشته سبب شده تا اين پديده به يكی از مهمترين، پيچيدهترين و بحث برانگيزترين موضوعات در مهندسی ژئوتكنيك لرزهای تبديل شود.
روشهـای ارزیابی خطر روانگرایی را میتوان به روشهـای کمی و کیفی تقسیم کـرد. از روشهـای کمی میتوان به روش سید و ادریــس، روش ونـگ (ارزیـابـی پتانسیل روانگرایی در خاکهای رسی)، مقاومت نفوذ استاندارد، آزمایش نفوذ مخروط و روشهای مبتنی بر عامل اطمینان اشـاره کرد. به طور کلی، احتمال وقوع روانگرایی در آبرفتهای جوان بیش از آبرفتهای قدیمی است. بنابراین، شرایط زمین شناسی، خا ک و نو ع رسوبات میتواند در تعیین کیفی قابلیت خطر مورد استفاده قرار گیرد.
جنس خا ک و رسوب
برای مطالعهی عامل خاک و رسوب در ارزیابی خطر روانگرایی سه طبقه در نظر گرفته میشود که شامل سیلت (ماسهی ریـز)، رس و شن (گراول یا ماسهی دشت) است و به ترتیب بیشترین رتبهی خطر، رتبهی خطر متوسط و رتبهی بدون خطر را به خود اختصاص میدهد. بیشترین مقاومت در برابر روانگرایی در خاکهایی با بافت درشـت یعنی شن و رس است. بنابراین در مطالعات روانگرایی خاک به رسوبات شنی ارزش صفر و به رسوبات حاوی رس به دلیل انتقال آسانتر ولی چسبندگی خوب ارزش عددی یک و به رسوبات سیلتی یا رسوبات رس و شن حاوی سیلت زیاد ارزش عددی دو داده میشود.
نوسان آب زیرزمینی
نقش آب زیرزمینی در روانگرایی خاک از طریق تأثیر آن بر از بین بردن چسبندگی خاک و ناپایداری زمین بروز میکند.
روانگرایی انواع خاکها
روانگرايی خاكهای ماسهای
مقدمه خاكهای ماسهای اشباع هنگامی كه تحت اثر ارتعاشهای زلزله قرار گيرند، ممكن است شبيه گل مايع ناگهان به شكل يك سيال درآيند، اين پديده روانگرايی ناميده میشود. در مفهومی گستردهتر، پديدهای كه در اثر آن مصالح دانهای به علت ارتعاش به حالت مايع درآمده، خواه توده خاك به وسيله آب اشباع شده باشد يا نه، در بيان عمومی روانگرايی اطلاق میشود. روانگرايی خاكهای اشباع اغلب سبب خرابیهای وسيعی در محيط اطراف میشود.
مكانيزم روانگرايی خاكهای ماسهای
در خاكهای ماسهای قبل از اينكه زلزله و نيروهای ناشی از آن از طريق تماس ذرات بتوانند منتقل شـوند، ذرات خـاك دارای تماسهای پايداری بين يكديگر هستند، اين امر موجب میشود كه مقاومت برشی خاك پايـداری سـازهای را كـه بر سـطح زمين قرار دارد، تامين نمايد. هنگـامی كـه خاك در اثر تنشهای برشی ناشی از ارتعاشات زلزله، تغيير شكل میدهد، تماس ميان ذرات از بين میرود، در نتيجه نيروهايی كه اصولا” به وسيله تماسهای ذرات در امتداد قائم تحمل میشـدند، بـه آب منفذی منتقل میشوند، اين حالت همان بروز شرايط روانگرايی خواهد بود. در ايـن حالـت تمـاس ميـان ذرات از بـين رفته و مقاومت برشی خاك صفر میشود و خاك ماسهای رفتاری شبيه يك مايع كه وزن مخصوص آن برابر خاك اشـباع است از خود نشان خواهد داد. بعد از روانگرايی همزمان با خروج آب تماس بين ذرات خاك مجدداً برقرار شده و گيرش مجدد توده خاك پس از وقوع مقدار زيادی نشـست خواهـد بـود. كـاهش حجم در خاك نشست كرده برابر حجم آب حفرهای است كه از خاك خارج شده است.
مكانيزم اساسی روانگرايی در لايههای ماسهای اشباع و سست، افزايش تدريجی فشار منفذی در اثر اعمال تنشهای سيكلی حاصل از انتشار موج برشی زلزله است، يك المان خاك در زمين مسطح در شرايط طبيعی تحت تنشهای جانبی حاصل از وزن لايههای بالا قرار میگيرد. در هنگام اعمال تنشهای سيكلی به يك المان ماسه سست، تمايل به تراكم و در نتيجه كاهش حجم در آن المان وجود دارد. اگر زمان بارگذاری بسيار كمتر از زمان لازم برای زهكشی و خروج آب باشد، امكان كاهش حجم در زمان كوتاه ايجاد نشده و در نتيجه در وضعيت تنش سيستم تغييراتی ايجاد میشود، اين تغييرات شامل كاهش تنش موثر بين ذرات و افزايش فشار منفذی است. بنابراين مقدار فشار منفذی ايجاد شده به وضعيت فشردگی، خصوصيات كاهش حجم المان در اثر بارگذاری، شدت و دوام بارگذاری بستگی پيدا میكند.
اگر ماسه به اندازه كافی سست و شدت بارگذاری به اندازه كافی بزرگ باشد، ممكن است فشار منفذی معادل تنش موثر اوليه بين ذرات شود. در اين لحظه نيروهای بين ذرات از بين رفته و ذرات به صورت معلق و غوطه ور قرار میگيرند، به يك چنين وضعيتی روانگرايی گفته میشود. گروهی از محققين اعتقاد دارند كه در اين وضعيت مقاومت ذرات به حداقل رسيده و جسم در يك تنش موثر، تنش برشی و حجم ثابت به طور پيوسته تغيير شكل میدهد. پس از ايجاد روانگرايی، ذرات مجزای ماسه در آب رسوب كرده و پس از اتمام رسوب گذاری، ماسه در يك وضعيت متراكم تر قرار میگيرد.
پتانسيل روانگرايی خاكهای ريزدانه خميری
پتانسيل روانگرايی خاكهای ريزدانه خميری با استفاده از معيار چينی تعيين میشود. نكات مهم اين معيار شامل موارد زیر است.
- درصد مواد ريزتر از ۰/۰۰۵ ميلي متر< 20 %
- حد روانی <35%
- شاخص روانی > ۷۵
خاكهايی كه دارای هر چهار شرط مزبور است، مستعد روانگرايی با افت قابل توجه مقاومت در نظر گرفته میشوند. به علاوه هر گونه خاك ريزدانهای كه مقاومت به نفوذ استاندارد آن ۴ > N باشد مستعد روانگرايی با افت قابل توجه مقاومت تحت بار سيكلی شناخته میشود، صرف نظر از آنكه معيار چينی در مورد آنها صادق باشد يا خير. معيار چينی معمولا” به صورت اكيد بدون در نظر گرفتن عدم قطعيتهای ناشی از اندازهگيری پارامترهای اين معيار به كار برده میشود.
روانگرايی خاكهای سيلتی
روانگرايی خاكهای اشباع اغلب سبب خرابیهای وسيعی در مصالح و محيط اطراف میشود. در مقايسه با خاكهای دانهای، بيشتر خاكهای ريزدانه مانند سيلتها، ماسههای سيلتي و رسها عموماً غير روانگرا در نظر گرفته میشوند. مطالعات اخير نشان میدهد كه خاكهای ريزدانه، بخصوص سيلتها، ممكن است در شرايط خاص مستعد روانگرايی باشند.
پديده روانگرايی در خاكهای ماسهای و سيلتی
در خاكهای ماسهای ذرات ماسه به وسيله اتصال بين ذرات نگهداری میشوند و نيرو میتواند از طريق اين اتصالات منتقل شود، اين امر سبب ايجاد مقاومت برشی شده و باعث میشود سازهای كه بر روی سطح زمين قرار گرفته، به وسيله خاك تحمل شود. زمانی كه خاك ماسهای در اثر تنش برشی ناشی از ارتعاش تغيير شكل میدهد، اتصال بين ذرات كم میشود، در نتيجه نيرويی كه عموماً درجهت قائم و از ميان نقاط اتصال تحمل میشود تبديل به فشار آب حفرهای میشود كه اين حالت مربوط به پديده روانگرايی است. بعد از روانگرايی اتصال بين ذرات خاك تماماً بازسازی میشود و اين امر زمانی اتفاق میافتد كه فشار آب حفرهای زائل شود.
از اين رو اهميت سيمانتاسيون در بالابردن مقاومت اتصال بين ذرات و افزايش مقاومت برشی كاملا” مشهود است. سيمانتاسيون می تواند بصورت طبيعی در خاك موجود باشد و يا از طريق فعاليتهای مصنوعی ناشی از مخلوط كردن و يا تزريق ايجاد شود. در محيط طبيعی، سيمانتاسيون به سبب رسوبات شيميايی، پيامدهای جانبی هوازدگی، اثرات جوشكاری و اتصالات ناشی از ذرات رس به وجود آيد.
ارزيابی استعداد روانگرايی خاكهای ريزدانه
گام اول در ارزيابی پتانسيل روانگرايی يك خاك بررسی استعداد روانگرايی در خاك محل است. شرط لازم برای ايجاد روانگرايی، اشباع يا نزديك به اشباع بودن خاك است. خاكهای شنی تميز (فاقد ريزدانه) معمولاً به ندرت در شرايط سست قرار میگيرند و به علت نفوذ پذيری بالا و امكان زهكشی سريع فشار آب منفذی در اين خاكها امكان كمی برای روانگرايی آنها وجود دارد. همچنين به علت وزن بالای دانههای شنی در هنگام رسوبگذاری ثقلی، خود به خود در حالت متراكم يا با تراكم متوسط قرار میگيرند. در واقع به ندرت رسوبات شن با تراكم سست در طبيعت يافت میشوند. هر چند كه خاكهای شنی محصور شده توسط خاكهای ريزدانه و همچنين لايههای شنی ضخيم به علت عدم پتانسيل زهكشی بالا استعداد بيشتری برای روانگرايی پيدا میكنند. خاكهای ماسهای و مخصوصاً خاكهای ماسهای لایدار مستعدترين خاكها برای روانگرايی هستند چون وزن مخصوص آنها به گونهای است كه میتوانند به راحتی در حالت سست قرار گيرند (يعنی مستعد توليد فشار آب اضافی در حين زلزله هستند) و هم نفوذ پذيری آنها پايين است، اين در حالی است كه ساختگاههای متشكل از سيلتهای با خاصيت خميری كم و همچنين رسهای سيلت دار به طور وسيعی در نقاط مختلف جهان از جمله ايران موجود هستند. در حالی كه نظرات برخی محققان در طی چند دهه گذشته، نشانگر عدم استعداد روانگرايی در خاكهای ريزدانه است، ولی بررسی مشاهدات محلی حاكی از آن است كه اين خاكها نيز میتوانند پديدهی روانگرايی را تجربه كنند.
استعداد روانگرايی ماسههای رسی و لای دار
| درصد رس | حد روانی کمتر از ۳۲ درصد | حد روانی بزرگتر یا مساوی ۳۲ درصد |
|---|---|---|
| درصد رس کمتر از ۱۰ | مستعد روانگرایی | نیاز به مطالعات بیشتر (با در نظر گرفتن ذرات خمیری غیر رسی نظیر میکا) |
| درصد رس بیشتر از ۱۰ | نیاز به مطالعات بیشتر (با در نظر گرفتن ذرات خمیری غیر رسی نظیر ضایعات معدنی) | غیر مستعد روانگرایی |
خاکهایی که کمتر از ۱۰ درصد ریزدانه ی رسی (کوچکتر از ۰/۰۰۲ میلیمتر) داشته باشند و همچنین حد روانی (حد ورانی مربیوط به بخش رده شده از الک نمره ۴۰) آنها کمتر از ۳۲ درصد باشد به عنوان مستعد روانگرایی در نظر گرفته میشود.
خاکهایی که بیشتر از ۱۰ درصد ریزدانه رسی داشته باشند و حد روانی آنها بیشتر یا برابر ۳۲ درصد باشد، مستعد وقوع روانگرایی ناشی از بارهای سیکلی نیستند.
برای ارزیابی استعداد روانگرایی خاکهای قرار گرفته در میان این دو معیار باید نمونه گیری کرده و آن را مورد آزمایش قرار داد.
با نممونه گیری از خاکهای ریزدانه خمیری و انجام آزمایشهای سیکلی بر روی آنها و در نهایت مقایسه این نتایج با عملکرد صحرایی مشاهده شده نکارت زیر حاصل شد.
- خاکهای با خاصیت خمیری بالاتر نسبت به مقادیر پیشنهاد شده معیار چینی ممکن است مستعد افزایش قابل توجه فشار منفذی سیکلی و در نتیجه کاهش مقاومت باشند.
- تحول در رفتار خاک، حتی در خاکهای با خاصیت خمیری بیشتر که به نظر نمیرسد مستعد اضافه فشار منفذی سیکلی و کاهش مقاومت مشابه با خاکهای سیلتی باشند بیشتر به صورت تدریجی است تا ناگهانی. خاکهای ماسهای و خاکهای سیلتی با خاصیت خمیری بسیار کمتر، تمایل به وقوع روانگرایی لرزهای و کاهش مقاومت شدید در کرنشهای برشی نسبتاً کم دارند. از سوی دیگر کاهش مقاومت و سختی در خاکهای با خاصیت خمیری بیشتر در کرنشهای برشی بزرگتر رخ میدهد.
انواع روشهای ارزيابی روانگرايی
ارزيابی عمومی روانگرايی (روش۱)
اين روش برای پهنهبندی يك منطقه از لحاظ حركت زمين و پايداری شيب بكار میرود و بر اساس دادههای قبلی (موجود) است.
- ارزيابی حداكثر گستردگی منطقه مستعد روانگرايی
- معيار بزرگی زلزله بر اساس فاصله
- معيار شدت زلزله
ارزيابی احتمال روانگرايی بر اساس دادههای موجود
- دادههای زمينشناسی و ژئومورفولوژيكی
- شاخص سختی روانگرايی كه به عنوان جابجايی جانبی زمين در اثر روانگرايی تعريف میشود.
ارزيابی تفصيلی روانگرايی (روش۲)
بخاطر كامل نبودن ارزيابی كه از روش اول بدست میآيد ارزيابی تفصيلی انجام میگيرد. دادههای ديگری كه در اين روش استفاده میشود.
- تفسير عكسهای هوايی برای بيان جزئيات اشكال زمينشناسی و ژئومورفولوژيكی
- مطالعات صحرايی و تقسيمبندی واحدهای مستعد روانگرايی
- تفسير عكسهای هوايی بعد از سيل
- تحقيقات محلی و صحبت با اهالی برای جمعآوری دادههای تاريخی وقوع روانگرايی در زلزلههای گذشته
ارزيابی دقيق روانگرايی (روش۳)
ارزيابی دقيق علاوه بر اطلاعات قبلی نياز به مطالعات ژئوتكنيكی و كاوشهای زيرسطحی و انجام آزمونهای صحرايی و آزمايشگاهی دارد.
برای ارزيابی پديده روانگرايی برای يك پروژه خاص در صورت احتمال استعداد روانگرايی خاك محل نمیتوان به ارزيابیهای قبلی اكتفا نمود و نيازمند مطالعه دقيق طبق اين روش است.
در اين روش برآورد پتانسيل روانگرايی از گامهای زير تشكيل شده است.
- تخمين مقاومت خاك موجود در محل در مقابل روانگرايی.
- تخمين ماكزيمم يا معادل تنش برشی سيكلی كه احتمال وقوع در خاك در اثر زلزله را دارد.
- تخمين پتانسيل راوانگرايی رسوبات بر پايه اطلاعات(الف) و (ب).
مقاومت در برابر روانگرايی میتواند بر اساس آزمايشات آزمايشگاهی بر روی نمونههای دست نخورده مانند آزمايش برش سه محوری سيكلی و آزمايشهای صحرايی مثل SPT (آزمون نفوذ استاندارد) و CPT (آزمون نفوذ ديناميكی) انجام گيرد كه عموماً از آزمايشهای صحرايی امروزه بيشتر استفاده ميیشود چون مشكلات نمونهگيری دست نخورده را ندارد.
